城市地下长直隧道火灾近火源区长度确定

李炎锋，赵威翰，边　江，李俊梅，侯昱晟

(北京工业大学建筑工程学院， 北京100124)



城市地下长直隧道火灾近火源区长度确定

李炎锋，赵威翰，边江，李俊梅，侯昱晟

(北京工业大学建筑工程学院， 北京100124)

以城市地下长直交通隧道为研究对象，利用大涡模拟手段计算与火灾烟气扩散有关的近火源区长度,而该长度值是场—网复合模拟方法研究隧道火灾的关键因素。分别考虑了隧道断面尺寸、火源功率、火源热释放效率变化曲线对近火源区长度的影响。通过计算三种不同隧道尺寸和功率的工况下隧道截面的温差值以及温差变化率来确定烟气扩散的充分发展区域，从而确定近火源区长度，研究表明：对于30 MW范围内的t2超快速火，火源下游120 m距离即近火源区长度为240 m，烟气流动均已充分发展。近火源区长度值受隧道尺寸和火源功率的影响不大；对比Carvel提出火灾发展两阶段模型和t2超快速火模型的分析结果，火源发展规律是影响近火源区长度值的一个重要因素。

场—网复合模拟；隧道；火灾；烟气扩散

0　引　言

数值模拟是研究隧道火灾烟气扩散的重要手段。对于长直隧道，虽然火灾模型可以预测隧道全局火灾情况，但是主要存在以下问题：①现有隧道火灾研究就如何确定隧道的计算区域长度没有明确的标准和依据。文献只是根据整个隧道长度来选择隧道计算区域长度，但没有进行选择依据说明[1-4]。对于长隧道模拟需要建立大量网格，计算时间长；②目前普遍采用的是局部建模拟定边界条件的方式，多数情况下模拟的边界条件都是由粗略的估计或者冷烟实验确定，这些数据能否作为评估火灾系统的基础数据还需要研究。合理解决长距离隧道通风烟气控制工况就是采用场—网模型复合研究[5]。

场—网模型复合研究的基本思路是将场、网单独模拟的结果作为彼此的边界条件，原理如图1所示[6-7]。大量火灾风流和烟流的研究表明，运行的风机附近与火源附近的流场存在复杂的3D掺混流动，温度和速度的变化率都很大。所以该区域只能使用CFD模拟的方式才能得到详细的参数，该区域称之为近火源区域(near field，NF)。然而在远离火源的一定距离外或者在远离风机的一定范围外，温度和速度的变化率趋近于零，流场变为明显的1D流态,这一部分区域称之为远火源区域(far field，FF)。对于FF区域，利用CFD研究会对计算要求大量增高然而却只能取得很小的精度提高。为了提高计算效率并保持一定的计算精度，可以采用场—网模型复合研究方式，即通过1D-CFD交界面耦合相互交换流体数据来计算整个区域的参数。

图1　场—网复合模型原理图

场—网复合模型方法用于隧道火灾研究一个很重要的问题就是需要对CFD模拟精度与NF区域长度进行研究。CFD模拟精度将会决定模拟数值交换结果的准确性，而两种模型的边界位置必须处于流动已经充分发展、温度梯度与速度梯度较小。Colella等[8]虽然开展了多尺度模型模拟研究，但没有给出划分NF区域范围的依据和思路。目前场—网复合模型用于高层建筑火灾，并通过了实际尺寸的实体验证，结果表明场—网复合模型计算准确性高于单一的网络模拟，计算值更接近于实验结果[9-10]。但是，国内学者还没有将场—网复合模型用于隧道火灾研究的文献发表。

本研究主要以城市长直地下隧道为研究对象，基于常见的城市交通隧道参数，通过数值模拟手段分析隧道的几何尺寸、火源功率即增长特性等对确定NF范围的影响，为场—网复合研究城市交通隧道火灾烟气控制提供依据。

1　隧道物理模型及火灾场景

以城市地下隧道为研究对象，根据相关技术标准选择相关参数。研究表明,隧道长度及断面的几何尺寸、火源功率及增长特性是长直隧道火灾烟气扩散主要影响因素[11]。

1.1隧道断面尺寸

参考了若干国内城市隧道与国外城市隧道的尺寸，以《城市地下道路工程设计规范》与美国隧道规范的要求建立模型[12-13]。城市地下隧道建筑限界见图2，隧道模型尺寸如表1所示。

图2中，E为建筑限界顶角宽度，不应大于机动车道或非机动车道的侧向净宽；Hc为机动车车行道最小净高；Wmc为路缘带宽度；Wpc为机动车道路面宽度；h1为防撞侧石高度；Wsc为安全带宽度。

表1选择的城市地下隧道几何尺寸

Tab.1Selected urban underground tunnel size

类别宽Wpc/m高Hc/m设备带Wmc/m吊顶内高/m三车道模型12.254.30.50.8二车道模型94.30.50.8一车道模型64.30.00.8

1.2火源功率

为了针对不同火源功率进行研究，参考已有研究成果选取三种火源功率，分别对于大客车，中巴和小汽车火灾情况，对应火源功率为30、15和5 MW[14]。

1.3火源热释放速率

为了研究火源热释放速率对于烟气流动分层与稳定性影响。选取了2种火源热释放速率，一个是应用范围很广的t2火热释放效率。另外是Carvel等在对于货车火灾做了实验评定之后，发现t2火并不能够与任何实验数据相匹配，提出了一种两个阶段线性化近似模型如图3所示[11]。依照NFPA 502(2014版)实验数据，则隧道车辆火灾的热释放率增长曲线对于小型汽车火灾(低于20.0 MW)可设定为快速增长t2火灾，对于公共汽车及大型载重货车(20.0 MW)大于可以考虑采用Carvel火灾模型。

图2城市地下隧道建筑限界

Fig.2Boundary line of urban underground road

图3火灾发展两个阶段线性化模型

Fig.3Fire linearized model of development in two phases

2　数值模型

2.1数学模型

本文选用美国国家标准技术研究院开发的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模拟软件FDS5.0 (fire dynamics simulator, FDS)来模拟烟气扩散。FDS软件计算结果的准确性已得到了大量的实验验证，并且已被认为是火灾研究的重要工具之一[11]。它利用大涡模拟技术求解低速、热驱动流动的Navier-Stokes方程，根据大涡模拟思想，对大涡直接求解，对小涡采用模型求解。FDS应用Smagorinsky模型求解小涡模型。在模型中流体动力黏性系数表示为：

(1)

2.2网格尺寸以及网格独立性验证

取火源功率Q=30 MW，计算不同网格尺寸下火源下游100 m中心点温度与轴向速度值。模型使用30 MW火源，全程无通风，边界为OPEN。墙体边界设置为热厚性边界，FDS中设置为“CONCRETE”属性。

数值模拟保证精度一个重要因素是网格尺寸。研究表明：火灾特征直径D*与网格尺寸的大小有很大关系[12]。在火灾模拟和实验结果对比中，当FDS模型的网格尺寸d=0.1D*，模拟结果与实验测试结果非常吻合。火灾特征直径D*表达式如下:

(2)

其中D*为火灾直径，m；Q为火源热释放率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp为定压比热，J/(kg·K)；T∞为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。

考虑到场—网复合模型要将一个断面的参数化成一点的参数输入到1D模型里面，其中小的误差可能会导致更大的系统评估的误差。表2,表3分别给出了选取不同网格参数及其对应的模拟结果。

为了保证场—网复合模拟的计算精度，可以取比传统FDS网格划分的更细网格以保证精度。根据表3，可以看出选择d=0.07D*计算参数的相对误差能够保持在5%以内。本研究所有数值模拟中网格划分都遵照该原则。

表2　选取网格参数Tab.2　Mesh selected

表3　不同尺寸网格数值模拟结果对比Tab.3　Result comparison with different meshes

3　计算结果与分析

机械通风状态下火源上游临界风速会加剧火源下游空气层的混合，会使下游流场更快充分发展。而长直隧道内火灾烟气自然扩散达到稳定状态距离更长。因此，通过研究无风工况下长直隧道内烟气层达到稳定状态位置从而确定NF区域的计算结果会更加保守。在场—网复合模型中能够满足边界条件参数交互的精度要求。

3.1烟气自然扩散工况NF长度确定依据

研究成果[13]表明，对于吹风机等冷流体流场，Ld(吹风口到下游交界面的距离)与Dh(隧道水力直径)之间的比值大约是20。根据隧道几何尺寸确定计算隧道长度确定为500 m，火源位于中部，上下游各250 m。

为了确定3D模型内部的模拟结果都可以满足NF断面交互的精度要求，需要讨论3D模拟的边界位置。主要依据是通过截面平均温度以及温度变化率来确定沿隧道方向截面参数规律[15-16]。平均温度考虑断面上不同高度、宽度的10个计算测点值平均而得到。采用断面温度变化率的原因主要是通过考虑不同断面的最大温差值之间的变化来反映沿隧道纵向温度衰减速率。温度变化率ε表达式为：

(3)

式中：Th为断面最高温度，Tl为断面最低温度。

3.2隧道几何尺寸的对NF区域长度影响

按照确定尺寸建立，分别为一车道模型、二车道模型和三车道隧道模型，火源功率维持30 MW，火源成长曲线采用Carvel等实验得出的经验公式(见图3)。图4(a)、(b)分别给出了三种工况下火源下游的不同距离的截面上的温度变化。图中L表示距离火源的距离, ΔT表示截面平均温度与外界温度的温差值，ε表示温度变化率。

(a) 截面平均温度与外界温度的温差值

(b) 温度变化率

图4不同距离截面上温差值和温度变化率

Fig.4Average temperature difference and temperature change rate in tunnel section

从图4(a)可以看出温度差值在一定距离之后会趋近于恒定。不管是一车道、二车道还是三车道模型，而隧道尺寸对温度差值的影响最明显的区域是25 m内。在100 m之后，温度的变化趋于平缓，而在120 m以后，平均温度和温度差值基本恒定不变。

从图4(b)中所示的温度变化率的可以发现，温度变化率的拐点确实出现在120 m左右，当到达120 m之后，温度的变化率虽然也在降低，但是其降低梯度已经开始减小。而这与平均温度、温度差值的结果相符。表明在火源120 m之后，所有工况下流场都充分发展。

3.2火源功率的影响

图5(a)和图5(b)给出了三种火源功率5、15、30 MW工况下距离火源不同位置截面上的温差值ΔT和温度变化率ε情况。

(a) 截面平均温度与外界温度的温差值

(b) 温度变化率

图5三种火源工况下隧道截面温差值以及温度变化率

Fig.5Average temperature difference and temperature change rate in three fire source

可以看到不管是5 MW，15 MW还是30 MW的火源工况，温度差值在一定距离之后会趋近于恒定。距火源25 m的区域内变化最明显，在100 m之后，温度的变化趋于平缓，在120 m以后，温度差值基本恒定不变。而120 m确实是一个分界线，基本上达到120 m之后，整个温度变化率的变化趋势开始趋于平缓。可以得到结论：三种火源功率均可以选取120 m为火源充分发展段。

3.3火源热释放率的影响

火源成长曲线分别选择常用的t2超快速火和Carvel近似模型两种情况。火源功率取30 MW, 成长曲线如图6所示。

(a)t2超快速火

(b) Carvel近似模型

图630 MW火源两种成长曲线

Fig.6Two different grow curve of 30 MW fire

图7(a)和图7(b)分别给出了两种火源成长曲线下不同断面温差和温度变化率情况。可以看出，t2超快速火达到稳定的距离在120 m左右，但是Carvel近似公式得出的距离在240 m开外。根据温度变化率ε，可以看出，t2超快速火在120 m就能达到基本稳定流场分层，而Carvel经验公式则达到了240 m左右。可以看出火源充分NF段的长度与模拟选择的火源发展曲线有重要关系。

(a) 截面平均温度与外界温度的温差值

(b) 温度变化率

图7长直隧道纵向温度差值与温度变化率

Fig.7Average temperature difference and temperature change rate in long tunnel

3.4计算数值与实验数据的综合分析

为了验证NF长度模拟结果的可靠性，采用为数不多的国内已经开展的城市隧道火灾全尺寸试验和比例模型实验中的实验数据进行对比分析。表4给出了两个城市隧道现场试验火源下游充分界面长度，通过对相关实验研究数据的调查，城市地下隧道无风自然扩散近火源区距离为120～160 m。

表4　城市隧道现场试验火源下游充分界面长度确定Tab.4　Determine the full interface length of fire source downstream in urban tunnel field test

综合数值模拟和试验研究结果表明，对于城市交通隧道自然通风条件火灾数值模拟，采用t2火源，建议选择NF区域长度为240 m，即上下游各120 m，可以保证场—网复合模型的精度要求。如果采用Carvel近似公式，保守状态上下游可以各240 m，总体NF区域长度为480 m能够满足场—网复合模型的数据交互要求。关于隧道车辆火灾功率的实验数据可以参考NFPA502标准[17]，考虑不同类型火灾发展规律特点，从保守的角度可以考虑选择Carvel模型研究有大型车辆通过的隧道消防设计。

4　结　语

利用数值模拟手段研究了场—网复合模拟中交界面的确定因素并确定了保守条件下城市交通长直隧道的NF断面长度。研究结论如下：

①隧道截面尺寸、功率对烟气扩散有影响。对于30 MW范围的t2超快速火，自然扩散状态下在火源下游120 m距离处，不同几何尺寸、隧道截面的烟气流动工况均能达到充分发展状态。即NF长度为240 m可以满足不同条件下火灾烟气充分发展的场—网复合交界面。

②火源功率成长曲线对NF段长度的确定有重要影响。针对于t2火，NF断面可以按照240 m进行选取；当使用Carvel经验公式时，保守选取NF段长度为480 m。需要开展更多的试验研究地下道路火灾工况的火源功率发展过程。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Length of near field of fire sourcein urban long straight underground tunnel

LI Yan-feng, ZHAO Wei-han, BIAN Jiang, LI Jun-mei, HOU Yu-sheng

(Architecture and Civil Engineering of Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Fire scenarios in urban long straight underground tunnel have been studied. The large eddy simulation method is used to calculate the length of near field of fire source which is related to smoke control in fire scenario. The length is a key factor to study tunnel fire with the hybrid field-network simulation method. Effects of tunnel section size, fire source power and thermal release efficiency have been taken into account to determine the full propagation distance of smoke. And the length of fully-developed fire field could be determined by the change rate of temperature and the temperature difference between smoke and atmosphere. Three different sizes of tunnels and fire powers have been analyzed to determine the length of near field of fire source. Results show that, fort2ultra-fast fire, power of which is less than 30 MW, smoke propagation would be fully developed within 120 m downstream from fire source under natural condition. It means that the length of near field of fire source is 240 m. It has also been found that the length of near field of fire source is almost not affected by tunnel size and fire source power. By comparing the two-stage model of fire development and thet2ultra-fast fire model proposed by Carvel, we have found that fire source development would be an important factor for the length of near field of fire source.

field-network hybrid model; urban tunnel; fire; smoke propagation

2016-03-22；

2016-04-18

国家自然科学基金资助项目(51278018);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20121103110024)

李炎锋(1971—)，男，河南省新密人，北京工业大学教授;E-mail: liyanfeng@bjut.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1101

TU962

A

1001-7445(2016)04-1101-08

引文格式：李炎锋，赵威翰，边江,等.城市地下长直隧道火灾近火源区长度确定[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1101-1108.